材料成型原理思考题及解答改

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1、材料成型原理思考题及解答改本课程的教学要求为1。掌握液态金属和合金的凝固和结晶的基本规律， 冶金处理及其对 材料和零件性能的影响。2。注重掌握塑性成形的基础和塑性成形理论的应用3。重点掌握材料成型过程中的化学冶金及现象、缺陷形成机理、影 响因素和预防措施第二章液态金属的主要内容1，液态金属的基本特性2,液态金属的粘度，表面张力，G吸附方程3,流动方程，相似律 4，流变行为和流变铸造问题1。当固相表面存在液相和气相,且三者处于界面平衡时,在什么条 件下固液相互润湿当达到平衡时,气、液、固三相交界处的气液界面 和固液界面之间的夹角称为接触角，由B表示它实际上是液体表面张 力和液-固界面张力之间的角

2、度接触角由气相、液相和固相界面上三 种界面张力的相对大小决定。从接触角的值可以看出液体对固体的润 湿程度。当和达到平衡时，得到以下关系：丫 SQ SL=y LG cos 0 上述方程称为杨氏方程从杨的方程中,我们可以得出以下结论 :（1）如果（丫 S-Y SL）= y LGcos 0 =1 0= 0,这是完全润湿的情况。如 果（丫 SGr SL） 丫 LG则直到0=0时才达到平衡,因此杨方程不适用,但液体仍能在固体表面扩散（2）如果00, 0 e（产生裂纹3）冷裂纹分为延迟裂纹、硬化脆化裂纹 （淬火裂纹 ）和低塑性脆化裂 纹。宏观断裂具有闪亮金属光泽的脆性断裂特征。显微观察 :沿晶断 裂，也有

3、穿晶 （粒内 ）断裂，或沿晶和穿晶混合断裂。原因 :钢级的硬化 倾向；焊接接头的氢含量和分布，焊接接头的约束应力4）分层撕裂特征 :具有梯形外观的外观基本上由平行于滚动方向的平 台和基本上垂直于平台的剪力墙组成断口是典型的木纹原因 :由于轧 制母材中的层状夹杂物和焊接过程中垂直轧制方向的应力5）应力腐蚀裂纹特征 :无明显均匀腐蚀痕迹，断续裂纹形式从横截面 上看 :裘德就像一棵干枯的树的根须，由表及里，深宽比大，典型特征是长而 细的分叉。从断口来看，它是一个典型的脆性断口， 仍保持金属光泽。 原因:某些特定的介质和拉伸应力共同作用2。液膜产生的原因及其对热裂纹产生的影响分析从金属晶体学的理 论可

4、以知道，第一种结晶金属更纯， 第二种结晶金属含有更多的杂质， 并富含晶界。一般来说，由这些杂质形成的共晶熔点较低。在焊缝金 属凝固结晶的后期， 低熔点的共晶在柱状晶相遇的中心被推出， 形成 “液膜 ”此时，由于收缩和拉伸应力，焊缝中的液膜成为薄弱区。在拉 应力的作用下， 有可能在这个薄弱区产生裂纹， 形成晶体裂纹。 因此， 液膜是晶体裂纹的内部原因，拉伸应力是晶体裂纹发生的必要条件。3。脆性温度范围是多少？为什么金属的塑性在脆性温度范围内很 低？1)脆性温度范围 :熔池金属进入固液相。由于液态金属的量很少，主 要是那些低熔点的共晶金属， 在拉伸应力下产生的微小间隙不能被填 充。只有轻微的拉伸应

5、力才会导致裂缝。 这个范围称为脆性温度范围 金属在固相线以上和以下的温度范围内具有极低的伸长率和脆性断 裂，该温度范围被定义为脆性温度范围 2)由于液态金属难以流动， 在该范围内金属的低伸长率和脆性断裂，该范围内的金属塑性非常低 4。综合分析脆性温度区及该区金属塑性 与变形增长率之间的影响因素。1)金属在脆性温度范围内的塑性越小，越容易产生晶体裂纹，晶体 裂纹主要由化学成分、凝固条件、偏析程度、晶粒尺寸和方向等冶金 因素决定。 2)在脆性温度范围内，随着温度的降低，由于收缩引起的 拉应力的增加，应变增长率将增加，导致晶体裂纹。应变增长率主要 由金属的热膨胀系数、焊接接头的刚度、焊接位置、焊接规

6、格尺寸、 温度场分布等因素决定。6。试描述焊接冷裂纹的特征及其影响因素1) 特征：(1)生成温度:温度范围在毫秒点附近或低于 200 300 C;生产的钢种和位置 :高碳钢、中碳钢、低合金、中合金高强度钢、热 影响区合金元素较多的超高强度钢、焊缝中的钛合金;(3)裂纹趋势 :沿晶和穿晶; (4)生产时间 :可在焊接后立即出现，也可持续数小时、 数天或更长时间。2) 影响因素 :钢的硬化倾向、氢含量及其分布、约束应力状态7。描述氢在产生冷裂纹过程中的作用。研究残余扩散氢HR100 和 氢扩散系数 M 的意义是什么？在焊接电弧的高温作用下，焊缝中 (1)氢的溶解，焊接材料中的水，焊接坡口上的油污和

7、铁锈以及空气 中的水都会分解氢源或氢离子， 溶解成大量的焊接熔池。 氢在铁中的 溶解度随温度变化很大， 在冰点时会突然变化。 由于熔池的小尺寸和 快速冷却，熔池从液态快速凝固，多余的氢不能逸出，导致焊缝过饱 和。(2)焊缝区氢浓度扩散为。焊缝中过饱和氢处于不稳定状态，在含量差异的作用下，会自发 扩散到周围热影响区和大气中。 该浓度的扩散速率与温度有关。 当温 度很高时，氢会迅速从焊接接头中扩散出来。当温度很低时，氢的活 性被抑制，所以不会发生冷裂纹。只有在一定的温度范围内(约-100C 100C)，氢才发挥重要作用。如果同时存在敏感的组织和应力，就 会出现冷裂纹。当在预热条件下焊接时，由于在冷

8、裂纹敏感温度区间以上的长停留时 间，大部分氢气在高温下从焊接区逸出，当其降至较低温度时，残留 扩散的氢气不足以引起冷裂纹，这是预热可以防止冷裂纹的原因之一。氢的组织诱导扩散 (3) 氢在不同组织中的溶解和扩散能力不同。氢在奥氏体中溶解度较大， 但扩散系数较小(Y；在铁氧体(a中，氢具有较小的溶解度和较大的 扩散系数。 通常在焊接高强度钢时， 焊接金属的碳含量总是控制在低 于母材的含量， 因此焊接金属在较高温度下经历相变， 即奥氏体分解 成铁素体和珠光体。此时， 由于热影响区中金属的高碳含量，相变尚 未发生，仍然是奥氏体。当焊缝金属发生相变时，氢的溶解度会突然 降低，而氢在铁素体和珠光体中的扩散

9、系数很大。因此，氢将很快从 焊缝扩散到仍然是奥氏体的热影响区的金属。 氢在奥氏体中的扩散系 数很小，但具有很大的溶解能力。 进入奥氏体的氢在熔合线附近形成 富氢区。当热影响区中的金属经历相变，即奥氏体转变为马氏体时， 氢以过饱和状态保留在马氏体中， 这促进了金属的进一步脆化并导致 冷裂纹。 (4)应力诱导的氢扩散氢在金属中的扩散也受应力状态的影响，应力状态有向三向拉应力 区扩散的趋势氢的应力诱导扩散是一种现象， 在这种现象中， 氢的局 部积聚通常产生在具有塑性应变的地方， 例如应力集中或缺口， 从而 最早达到临界氢含量。应力梯度越大，氢扩散的驱动力越大，即应力 对氢诱导扩散的影响越大。总之，金

10、属氢在焊接接头中的扩散行为受从高温到低温的不同机制 控制。在液相和固相共存时，存在内容物扩散。在焊后冷却过程中， 应力诱导扩散存在于不同的温度范围内。 并且在冷却转变期间存在组 织诱导的扩散允许氢在热影响区的熔合线附近扩散和聚集， 特别是向 其中的应力集中位置扩散和聚集。 当这些部件中的氢含量达到某一临 界值时，将会诱发冷裂纹。 氢扩散有一定的速度，需要时间才能聚集 到临界含量，从宏观上表现为从焊接到产生冷裂纹的一定的孕育期 (孕育期)，即冷裂纹具有延迟开裂的特征。8。什么是克制？临界约束？它与结合力和临界结合应力有什么关 系？1)约束r:单位长度焊缝根部间隙中每单位长度产生弹性位移所需的力。

11、2)临界约束 Rcr :裂纹开始出现的最小约束 3)限制:R? Fl ？ b? f？ L1 ？ e。？ l ?我？ b? LL，其中:E基底金属的弹性模量(n/mm2)； ？-板厚(mm) ； l-焊缝长度(mm); I-约束距离(mm)约束应力 :？先生式中 :m 为约束应力转换系数， 可根据钢材的线膨 胀系数、机械熔点、接头的坡口角度等进行计算。 。增大到裂纹时的 应力称为临界约束应力：。cr9。约束程度与应力、 钢板厚度和焊接工艺参数之间有什么关系？他们各自的影响因素是什么？限制 :R？ Fl ？ b？ f？ L1 ？ e。？ l ?我？ b？ LL,其中:E基底金属的弹性模量(n/mm

12、2); ?-板厚(mm); l-焊缝长度(mm); l-约束距离(mm)约束应力 :？先生式中 :m 为约束应力转换系数， 可根据钢材的线膨 胀系数、机械熔点、接头的坡口角度等进行计算。增大到裂纹时的应力称为临界约束应力：。cr10。为什么一般低合金钢的冷裂纹会延迟？为什么焊接时容易产生 热影响区？1)氢在低碳钢中迅速扩散。 大多数氢在焊接过程中会从金属中逸出。此外，低碳钢在焊接过程中一般不会形成脆而硬的 M ，因此不会出现 延迟开裂。对于高合金钢 （如 18-8 不锈钢），氢扩散速率低，溶解度大， 不易在局部聚集中产生延迟裂纹。在高碳钢、中碳钢、中合金钢和一 些含碳量较高的低合金高强度钢中，

13、氢的扩散速率不能从金属中逸 出，也不能被完全抑制， 导致金属中的局部聚集， 造成延迟开裂现象。2）由于焊缝中的大量氢和周围母材中的少量氢，氢从焊缝扩散到热 影响区。 焊缝先于母材在高温下经历相变， 由于氢在微观结构中的溶 解度小，微观结构如分解成 F+P 进一步促进氢向热影响区的扩散， 此时热影响区仍处于奥氏体状态。 因为氢的扩散速率非常小， 并且不 能扩散到远离焊缝边界的母材中， 所以在焊缝和母材之间的界面处的 热影响区中形成了氢的富集区。当该区域从奥氏体转变为马氏体时， 氢将以过饱和状态保留在奥氏体中， 当氢浓度足够高时， 将发生延迟 开裂。11。余热对防止冷裂纹有什么作用？它能完全取代预

14、热吗？许多 的试验表明，紧急焊后热可以完全逸出扩散的氢，在一定程度上降 低残余应力，还可以适当改善组织，降低硬化能力。选择合适的后加 热温度可以适当降低预热温度或替代一些主要焊接结构的中间热处 理，但后加热不能完全替代预热。12。裂纹附近马氏体相变对冷裂纹产生的影响分析马氏体是碳在a铁中的过饱和固溶体。 碳原子作为间隙原子存在于晶格中， 这导致铁 原子偏离平衡位置，晶格经历更大的扭曲，导致组织硬化。特别是在 焊接条件下，焊缝附近的加热温度非常高（高达13501400C），导致 奥氏体晶粒严重长大。当快速冷却时，粗奥氏体将转变成粗马氏体。从金属的强度理论可以知道， 马氏体是一种硬化结构， 当断裂

15、发生时， 它将消耗较低的能量。因此，当焊接接头中存在马氏体时，裂纹容易 形成和扩展。13。为什么临界冷却时间 tcr 是基于引起冷裂纹的各种因素的综合影 响？冷却时间的长短对焊接接头的组织变化和约束应力也有重要影响。 因此，采用临界冷却时间 tcr 能全面反映钢的碳当量水平、接头氢扩 散含量、焊缝能量、预热、余热和接头约束条件对冷裂纹敏感性的影 响。因此，不同的临界冷却时间 tcf 反映了不同的冷裂纹敏感性，这 意味着 tcr 可以作为焊接接头冷裂纹倾向的判据。 14.什么是碳当量？ 为什么用碳当量可以预测钢的冷焊裂纹倾向？使用碳当量有什么问 题？碳当量，简称Ceq或CE,反映了钢的化学成分对硬化程度的影 响。它将钢中的合金元素 （包括碳 ）根据其对硬化 （包括冷裂纹、脆化等 ） 的影响转化为等量的碳。 ）也就是说，碳当量越大，合金钢的硬化能 力越强，导致冷裂纹倾向增加。